50000m3沥青储罐区安全设计.docx
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50000m3沥青储罐区安全设计
课程设计任务书
课题名称
化工安全课程设计
50000沥青储罐区安全设计
院（系）
城市建设与安全工程学院
专业
安全工程
姓名
学号
起讫日期
2013.6.24～2012.7.12
指导教师
2013年7月10日
第1章绪论
1.1设计项目概述
化工安全设计课程设计是安全工程专业基础课程教学的综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实践的桥梁，是使学生体会工程实际问题复杂性的重要尝试。
通过化工安全设计的课程设计，要求学生能够运用相关课程的基本知识，独立思考、活学活用，在规定的时间内完成给定的化工安全设计任务，从而加强对化学工业企业安全生产过程的深化和整体认识。
通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工安全设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。
同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、积极主动和高度负责的学习和工作作风。
课程设计的要求高于平时的作业，是对整个课程及相关知识的一个综合运用。
设计要求学生自己查取相关资料、确定设计方案、通过计算选择工艺，并对自己的选择做出论证和校核，经过分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
所以，课程设计是培养提高学生独立思考和工作能力的有益实践。
通过课程设计，应该训练学生提高以下几个方面的能力：
（1）根据课程设计的题目，熟悉物料，设计系统；查阅文献资料、收集有关数据、正确选用公式。
当缺乏必要数据时，尚需自己通过实验测定或到生产现场进行实际查证。
（2）在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定设计方案，进行选择、布置，并提出保证过程正常、安全运行所需要的手段和措施，同时还要考虑火灾爆炸事故发生后的有效处理措施？
。
（3）用精炼的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和计算结果。
（4）绘制相关图纸。
有关图形的绘制必须采用CAD绘制；图表插入要合适、清晰。
（5）规范撰写设计报告。
1.1.1课程设计的目的和要求
1.项目名称
5000m3×10沥青储罐区防安全设计
2.设计内容
1）根据国家相关规范，结合罐区的防火间距，合理确定罐区的形状、大小、面积等客观情况，进行总平面布置的设计；
2）根据储存的条件，对储罐进行选材、型号、安装方式及安全附件（安全阀、避雷针、静电接地等）的设计；
3）防火堤的安全设计；
4）针对沥青储罐的特点，精心储罐保温加热系统级储罐搅拌器的设计；
5）进行罐区消防系统的设计；
6）进行储罐区物质危险性分析及储运过程危险性分析，划分火灾危险等级；
7）安全管理对策措施。
1.1.2课程设计内容
1）熟悉相关设计规范；
2）查阅有关书籍、手册、文献资料，了解目前沥青储存的状况，比较各种储存方式的优劣，选择合适的储存方式和容器；
3）确定总平面布置及防火间距，绘制总平面布置图；
4）根据所选的储存容器的种类，进行罐体的基本设计，查阅相关的手册确定罐体的材料、结构、型号及安全附件的选型；
5）针对设计出来的罐区，进行消防系统的设计，包括消防通道、消防等级的确定、灭火剂（灭火器材）的选型、防雷电静电措施设计等；
6）完成工程的安全技术及管理制度设计。
1.2沥青的概述及储存工艺条件
1.2.1沥青的概述
沥青以完全溶于二硫化碳的天然的或火成的或天然的与火成的烃类混合物
为主要成分的黑色液体、半固体或固体物质。
不溶于水。
主要成分是沥青质和树脂。
沥青质不溶于低沸点烷烃，却能被低沸点烷烃沉淀。
关于其理化特性可见下表。
表1-1理化特性
pH值:
无资料
熔点（℃）:
无资料
沸点（℃）:
<470
相对密度（水=1）:
1.15-1.25
相对蒸气密度（空气=1）:
无资料
临界压力（MPa）:
无资料
辛醇/水分配系数:
无资料
闪点（℃）:
204.4
引燃温度（℃）:
485
爆炸下限[％（V/V）]:
30（g/m3）
最小点火能（mJ）:
20
最大爆炸压力（MPa）:
0.61
溶解性：
不溶于水，溶于溶于二硫化碳、四氯化碳、氢氧化钠等
导电性能：
绝缘体（常温下）
沥青主要可以分为煤焦沥青、石油沥青和天然沥青三种，在其应用方面，在矿质材料中掺入路用沥青材料铺筑的各种类型的路面。
沥青结合料提高了铺路用粒料抵抗行车和自然因素对路面损害的能力，使路面平整少尘、不透水、经久耐用。
根据《建筑设计防火规范》GB50016-2006和《石油化工企业设计防火规范》GB50160-20008，可确定沥青分别为丙1类和丙B类。
1.2.2沥青的储存工艺条件
根据沥青的理化性质，对于5000㎡×10的沥青罐区中沥青储存，可选定路面沥青储存进行安全设计。
道路石油沥青基本不具有挥发性，高温下（150℃以上）与空气中的氧气反应，180℃以上与元素硫反应迅速，会与卤素发生取代反应。
闪点180℃以上，相对密度1.04左右。
沥青的储存条件：
除长期不使用的沥青可放在自然温度下存贮外，沥青在混合料拌合场地贮罐中的贮存温度不宜低于130℃，并不得高于170℃。
本次设计选取路面沥青为储存物质，储存温度设定为150℃。
因为沥青基本无挥发性，闪点较高，在常压下即可保存，且化学性质稳定，腐蚀性很低，具有很高的安全性，所以可选用固定拱顶罐，并采用导热油加热保温在150℃，常压下储存。
第2章沥青储罐的选型及安全设计
2.1沥青储罐的选择
由于沥青基本无挥发性，闪点较高，在常压下即可保存，且化学性质稳定，腐蚀性很低，具有很高的安全性。
故选用固定拱顶罐选取中石化北京某设计院立式拱顶油罐。
参数如下
表2-1中石化北京某设计院立式拱顶油罐参数
参数
公称容积/m³
计算容积/m³
钢材总用量/㎏
壁板内直径/㎜
拱顶曲率内半径/㎜
壁板总高/㎜
罐总高/㎜
包边角钢规格
尺寸
5000
5500
110280
23700
23296
12530
15143
∠100×10
图2-1储罐示意图（单位m）
2.1.1钢材的选择
选择原则是在满足强度要求的前提下，应保证有良好的成型性、优良的焊接性能，以及好的经济性。
低碳钢价格便宜，经济型好，是压力容器中使用最多的钢材，尤以20钢制作的钢板及钢管使用最为广泛，钢材选用20钢。
表2-220钢的化学成分
元素
C
Si
Mn
P
S
含量/％
0.17~0.24
0.17~0.37
0.35~0.65
≤0.035
≤0.035
表2-320钢的力学性能
板厚/mm
/MPa
/%
（横）/J
冷弯试验（180℃）
4~20
≥410
≥28
≥27
d=a
2.1.2壁厚的计算
由上节可知，壁板总高12530mm，壁板从上至下分九层，每层约1392mm，采用双面焊，采用100%无损探伤。
表2-4钢板厚度
钢板厚度/㎜
第一圈
第二圈
第三圈
第四圈
第五圈
第六圈
第七圈
第八圈
第九圈
10.82
12.18
13.51
14.85
16.19
17.52
18.86
20.20
21.54
（2-1）
2.1.35000m³拱顶罐液压顶升倒装施工
液压提升系统作为提升动力系统，具有安全可靠，改善劳动环境降低噪音的优点。
其原理是：
通过液压油传输管路系统将动力传至各液压缸，驱动活塞杆上升，带动起升臂将储罐壁板升高至组队位置。
该施工方法是采用专用的液压顶升装置和配套的液压系统，由控制台操作将已制备好的储罐上部匀速平稳地提升到预定高度，与其下部的一圈壁板进行组队焊接，然后将他们一起顶升到所需的高度，进行与其相联的再下面一圈壁板的组焊，依次提升组队下层壁板，直至罐体最下一圈壁板组焊工完毕，再进行底层壁板与储罐底板间的大角缝组焊。
一、其施工顺序：
1.板材预制及基础验收2.底板组焊3.第一圈壁板组焊4.顶板组焊5.液压系统就位安装、调整6.胀圈安装、支撑板、杆安装7.组焊、顶升第二圈壁板8.胀圈下落并胀紧支撑板杆再安装、固定9.顶升、组焊第三圈壁板10.组焊最下一圈壁板11.液压系统拆除12.大角缝焊接13.罐总体试验14.防腐、保温15.交工验收
二、液压顶升系统：
液压顶升系统由液压泵站、液压顶升装置、控制台、供回油环管等组成。
液压泵站的作用是向各个顶升装置提供并保持具有一定压力的液压油；操作人员通过控制台操纵动力元件（电机、油泵）、控制元件（调压阀、换向阀、液控单向阀等），使执行元件（液压缸）处于受控运动状态；液压顶升装置的作用是顶起已安装完毕的罐体上部，并能满足其下部安装施工要求；供回油环管的作用是输送和分配不同流向、不同压力的液压油。
液压顶升系统的主要性能指标;适用范围50000m³及以下金属拱顶或浮顶罐；顶升速度2m/4min~2m/10min；保压时间2~12h;适用介质N32、N46液压油或机油（洁度10级）；系统压力调节范围≤16MPa，作业现场允许最大风力5级，环境温度-40~+80℃.液压缸缸体允许垂直偏差3mm/2m。
2.1.4油罐附件
一、开孔
油库设计其他相关规范中规定，金属油罐主要附件配备数量及规格，应符合下表规定。
表2-5金属油罐主要附件配备数量及规格
油罐直径/mm
量油口个数
罐顶人孔个数
罐壁人孔个数
排污槽（或清扫口）个数
排水管个数×公称直径
D≤12
1
1或2
1或2
1
1×80
12＜D≤15
1
2
2
1
1×80（或100）
15＜D≤30
1
2或3
2
1
1×100
D＞30
1
3
2
2
2×100（或150）
表2-6金属油罐开孔规格
名称
轻油罐、重油罐
附件
容积/m³
带放水管排污孔
透光孔
罐顶带梯子人孔
放水管直径/mm
数量/个
直径/mm
数量/个
直径/mm
数量/个
3000
100
1
800
3
800
1
5000
100
1
800
4
800
1
10000~15000
100
1
800
4
800
1
对于本储罐，设置量油口一个，罐顶人孔两个（800mm），罐壁人孔两个（直径400mm圆孔），清扫口一个（81mm），100mm直径排水管一个。
透光孔一个（500mm）。
二、接合管
结合管选用尺寸如下
表2-7结合管选用尺寸
直径/mm
325
377
426
480
530
630
壁厚/mm
10
11
11
12
14
14
安装在第一圈壁板上，管径630mm。
一、压力表
压力表是用来测量压力容器内介质压力的一种计量仪表。
本储罐设计在常压下储存沥青，使用量程较小的液柱式压力表即可。
三、液面计
液面计是显示容器内液面位置变化情况的装置。
沥青有轻微毒性，且不是透明液体，故选用反射式玻璃板液面计。
四、温度计
压力容器为控制壁温或为生产工艺需要控制容器的工作温度时，必须装设测温仪表。
本储罐在150℃下储存沥青，故选用测量范围0至300℃的压力式温度计即可。
五、盘梯
梯子是为操作人员上罐进行量油、取样等操作而设置的目前最广泛的有罐壁盘梯和立式斜梯。
其中盘梯占地面积少、节省钢材，因而得到广泛应用。
斜梯多用于小容积油罐组，占地面积达，钢材耗量多。
所以我们选用盘梯。
5000m³储罐盘梯包角应为62°，梯宽0.65cm。
六、支座
在直立状态下工作的容器称为立式容器。
其支座主要有悬挂式、支撑式及裙式三类。
其中悬挂式支座适用于中小型容器，支撑式支座适用于高度较低的储罐，裙式支座是高大的塔设备广泛采用的一种支座。
裙座的形式，按照形状不同分为圆筒形和圆锥形两种。
圆筒形裙座制造方便，应用广泛，但对高而细的塔，为防止风载荷或地震载荷使设备倾翻，需配备数量较多的地脚螺栓，此时可用圆锥形裙座。
采用圆锥形裙式支座以防止风载荷或地震载荷使储罐倾翻。
2.1.4安全附件
一、呼吸阀
呼吸阀分为机械呼吸和液压安全阀两类，根据呼吸阀的结构和工作原理每类分若干种。
重力式机械呼吸阀主要用于地上油罐和半地下油罐，弹簧式机械呼吸阀主要用在卧式油罐和油罐车，重力弹簧组合式机械呼吸阀适用于洞室油罐呼吸系统，全天候机械呼吸阀适用于寒冷地区油罐，多功能呼吸阀用于地上、半地下油罐。
综上选用重力式机械呼吸阀或多功能呼吸阀，但多功能呼吸阀是总结油罐系统存在问题，研究设计的一种新型呼吸阀，解决了油罐呼吸系统存在的呼吸阀在下，阻火器在上，以及呼吸排气朝下的不合理、不科学问题，实现了呼吸阀和阻火器的有机结合，减少了石油储罐的附件，便于管理。
所以选择多功能呼吸阀作为我们5000m³沥青储罐的呼吸阀。
图2-2多功能呼吸阀示意图
1内外壳体；2压力阀组件；3真空阀组件；4内壳体盖；5阻火芯组件；6防尘罩
二、防雷
根据《石油库设计规范》GB50074—2002中规定油库防雷有关数据，储存可燃油品的钢油罐，不应装设避雷针（线），但必须做防雷接地。
接地点2处，接地点延油罐周长的间距，不大于30m。
采用50×50×5mm长2.5m的角钢做垂直埋没的接地体。
埋深0.5米以上。
三、防静电
根据《石油库设计规范》GB50074—2002及其他防止静电危害安全规程，设置两处对称的接地点，并连接成闭合回路。
采用扁钢做接地引下线（40×4mm）及接地体（40×4mm）。
2.2加热及保温措施
2.2.1搅拌器
一、搅拌器的选择
沥青搅拌的目的是传热，而且是单一介质，只需宏观上的均匀即可。
查资料有：
沥青在140℃时，沥青黏度为3.49×Pa·s;160℃时，沥青黏度为1.43×Pa·s;沥青的温度在150℃，且储罐的容积为5000，所以选择循环能力强，消耗功率小的推进式搅拌器。
为防止液体打旋，需在罐壁安装垂直挡板。
二、推进式搅拌器的设计
1.叶轮的直径与储罐的直径之比一般为0.2~0.5之间，考虑到储罐的直径较大，叶轮尺寸太大会有工艺上的难度，将叶轮直径定为5m；
2.当液体黏度不高且储罐较大时，桨叶数一般选为3片，所以桨叶数为3片；
3.叶片宽度应为叶轮直径的0.2倍，即叶片宽度为1m；
4.叶轮的叶片长度应为叶轮的0.25倍，即叶片长度为1.25m；
5.安装时叶轮距罐底的高度应为一倍的叶轮直径，即叶轮距罐底高度为5m；
6.为保证搅拌效果储罐内壁需设挡板，挡板数为6块，在罐内以30°的间距分布焊接；
7.挡板宽度2.2m。
图2-3搅拌器叶片示意图
2.2.2保温加热系统
一、保温层的设计
由于该罐组沥青的保存温度为150℃，所以在罐体外部设保温层，一来可以减少沥青的热量通过罐壁向大气的散失，二来可以防止罐壁温度过高发生烫伤事故和其他事故。
1）保温层材料
保温层分为保温材料和保护层（起保护保温材料的作用），以及保温支撑件和保温钩钉（起固定作用）
保温材料选用膨胀珍珠岩，导热系数0.028—0.048W/m﹒K
保护层为镀锌钢板，厚度为0.5mm
2）保温层厚度的确定
（一）沥青放热量
沥青每小时放出的热量
=m（-）（2-2）
式中：
——热沥青经1h后所放出的热量，kJ；
m——沥青质量，kg，取5.2×kg；
——沥青平均比热，，取与温度是比热的平均值，取1.8kJ/kg·℃；
——经1h降温后允许的沥青温度，℃，取149.9℃；
——沥青的初始温度，℃，取150℃。
计算得：
=5.2××1.8×（150-149.9）=9.36×
（二）罐壁散热量
沥青通过罐壁散失的热量
=3600KS（）（2-3）
式中：
——热沥青通过罐壁1h后散失的热量，kJ
S——储罐的表面积，㎡,1372㎡（侧壁加罐顶）
——沥青的平均温度，℃，为149.95℃
——外界环境空气温度，℃，为20℃
K——传热系数，kW/㎡·℃;
K=（2-4）
——由沥青到罐内壁的放热系数，kW/㎡·℃,取500
——罐壁厚度，m，取平均值15mm
——钢的导热系数，℃取45
——保温层厚度，m
——保温层导热系数，℃，4×
——保温板厚度，m，0.5mm
——钢的导热系数，℃，取45
——由保温板到空气的放热系数，kW/㎡·℃,取20
（三）保温层厚度的确定
通过热平衡方程，即=，可求得
=27mm
所以保温层的厚度应设为27mm
二、加热器的设计
采用全面加热，在罐底设置U型列管式换热器，罐内用循环导热油对沥青进行间接加热保温，加热弥补储罐热量散失，储罐整体热量的散失为9.36×kJ/h
1）导热介质的选择
沥青的保存温度150℃，所以选择在较高温度时可稳定导热的导热油作为导热介质，为了使沥青的温度趋于稳定，所以将导热油加热到160℃通入列管，出口温度为150℃
2）导热油循环速度的确定
有整个储罐的热量衡算有
=（2-5）
=（）（2-6）
式中：
——换热器1h换给沥青的热量kJ
——导热油的质量流量，kg/h
——导热油的比热容，kJ/kg·K，2.3kJ/kg·K
——导热油的进口温度，℃，160
——导热油的出口温度，℃,150
算得：
=9.36×/（2.3·10）=4.07×kg/h
3）换热面积的确定
=3600KA（2-7）
式中：
K——换热器的传热系数，kW/㎡·℃，取0.2kW/㎡·℃
A——换热器的换热面积，㎡
——平均温差，℃，取导热油温差为10℃，沥青温差为5℃，则，平均温差为7.2℃
算得：
A=180㎡
根据结果选取某化机厂的换热器：
双管程，管子数792根，换热公称面积为185㎡的列U型列管换热器。
第3章沥青储罐区平面布置
本文的设计为50000沥青储罐区的安全设计。
该罐区位于某城市边缘某大型炼油厂的东南角，地势十分平坦且视野开阔，其周围住户很少，基本无大型居住区。
该地区常年风向为东南风。
整个罐区包括储罐、泵站、装卸台、导热油房、系统管道及配套的供水、供电、通信、供气、供风、消防、污水处理等公用设施。
罐区共有5000罐10台。
根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008相关要求，因为该地区常年风向为东南风，且沥青储罐的火灾危险性大于办公区、控制室、配电房、导热油房、泵房等，所以储罐应该布置在上述区域的下风向即全年最小频率风向的上风侧。
10个罐体排成两排且错位布置（详见附录1），防止一个罐体发生火灾事故时，因风向因素加大相邻的罐体的着火危险性。
而控制室办公区与泵房、导热油房及配电站也需分区布置，关于该罐区的总平面布置图见附录1。
3.1沥青储罐区防火间距
罐组内相邻可燃液体地上储罐的防火间距不应小于表3-1的规定。
表3-1罐组内相邻可燃液体地上储罐的防火间距
类别
储罐型式
固定顶罐
浮顶、内浮顶罐
卧罐
≤1000m3
>1000m3
甲B、乙类
0.75D
0.6D
0.4D
0.8m
丙A类
0.4D
丙B类
2m
5m
注：
1.表中D为相邻较大罐的直径，单罐容积大于1000m3的储罐取直径或高度的较大值；
2.储存不同类别液体的或不同型式的相邻储罐的防火间距应采用本表规定的较大值；
3.现有浅盘式内浮顶罐的防火间距同固定顶罐；
4.可燃液体的低压储罐，其防火间距按固定顶罐考虑；
5.储存丙B类可燃液体的浮顶、内浮顶罐，其防火间距大于15m时，可取15m。
两排立式储罐的间距应符合表3-1的规定，且不应小于5m；两排直径小于5m的立式储罐及卧式储罐的间距不应小于3m。
由上文中确定的沥青为丙B类，且储罐直径大于5m，可确定沥青储罐间防火间距为5m。
立式储罐至防火堤内堤脚线的距离不应小于罐壁高度的一半。
因为由上文确定选用的沥青储罐壁高12.56m，所以可设定沥青储罐至防火堤内堤脚线的距离为7m。
根据《石油库设计规范》GB50074-2002，可确定油泵房、水泵房、装卸台、配电间最低耐火等级分别为三级、三级、三级、二级。
再由建筑设计防火规范》GB50016-2006,第4.2.1条，可确定本设计中沥青储罐区距离配电房距离为50m、距离控制室办公区25m、距离导热油房25m、距离泵房25m，距装卸台25m，消防水池距离罐区42m。
表3-2沥青储罐区的防火间距
名称
沥青储罐
防火堤
控制室办公区
导热油房
泵房
消防水池
配电房
装卸台
沥青储罐（区）
5m
7m
25m
25m
25m
42m
50m
25m
3.2防火堤及隔堤的安全设计
根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008，沥青储罐区应该设防火堤和隔堤以防止液体外漏和火灾蔓延，对于防火堤及隔堤的设计应满足下列规范要求：
1.防火堤及隔堤应能承受所容纳液体的静压，且不应渗漏；
2.立式储罐防火堤的高度应为计算高度加0.2m，但不应低于1.0m（以堤内设计地坪标高为准），且不宜高于2.2m（以堤外3m范围内设计地坪标高为准）；
3.立式储罐组内隔堤的高度不应低于0.5m；
4.管道穿堤处应采用不燃烧材料严密封闭；
5.在防火堤内雨水沟穿堤处应采取防止可燃液体流出堤外的措施；
6.在防火堤的不同方位上应设置人行台阶或坡道，同一方位上两相邻人行台阶或坡道之间距离不宜大于60m；隔堤应设置人行台阶。
3.2.1防火堤的选型与构造
一、选型
防火堤、防护墙的设计，应满足各项技术要求的基础上，因地制宜，合理选型，达到安全耐久、经济合理的效果。
根据《储罐区防火堤设计规范》防火堤的选择符合下列规定：
（1）土筑防火堤在占地、土质等条件能满足需要的地区选用。
（2）钢筋混凝土防火堤，一般地区均可采用。
在用地紧张地区、大型油罐区及储存大宗化学品的罐区可优先选用。
（3）浆砌毛石防火堤在抗震设防烈度不大于6度且地质条件较好、不宜造成基础不均匀沉降的地区可优先选用。
（4）砖砌块防火堤和夹芯式中心填土砖、砖块防火堤，一般地区均可采用。
（5）防护墙宜采用砌体结构。
（6）防火堤（土堤除外）应该采取在堤内侧培土或喷涂隔热防火涂料等保护措施。
综合考虑选择采用钢筋混凝土防火堤。
二、构造
防火堤的构造满足下列要求：
1.防火堤堤身必须密实、不渗漏。
2.防火堤、防护墙埋置深度应根据工程地质、建筑材料、冻土深度和稳定性计算等因素确定为0.5m。
3.防火堤及防火墙变形缝的设置规定：
变形缝的间距根据建筑材料、气候特点和地质条件按有关结构设计规范确定；变形缝缝宽设置为35mm，缝内填充硅酸盐类无机防火填料。
4.防水堤内培土应符合下列规定：
防火堤内侧培土高度与堤同高；培土顶面宽度300mm；培土应分层压实，坡面应拍实，压实系数0.85；培土表面应作面层，面层应能有效的防止雨水冲刷、杂草生长和小动物破坏，面层可采用砖或预制混凝土块铺砌在南方四季常青地区，可用高度150mm的人工草皮做面层。
5.防火堤内侧喷涂隔热防火涂料选择FH（JF-205）非膨胀型混凝土防火涂料。
性能见表3-3。
钢筋混凝土防火堤的构造应符合下列规定：
1 堤身及基础地板的厚度应由强度计稳定性计算确定为200mm。
2 受力钢筋应
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